從廢鋰離子電池除銅尾渣中浸出鈷鎳試驗研究

李 強，陳若葵，劉 超，喬延超，陳 歡，謝堂峰

(湖南邦普循環科技有限公司，湖南 長沙 410600)

廢鋰離子電池經破碎分選得到電池粉末和銅鋁混合料。粉末中,銅質量分數為3%～5%，用硫酸浸出，浸出液采用硫化沉淀法深度除銅，產生的大量硫化銅渣中鈷、鎳含量較高，部分以硫化物形式存在，難以回收[1-3]。超聲波是一種機械波，在介質中傳播時，會與介質相互作用，使介質發生物理的和化學的變化，從而產生一系列力學、熱學、電磁學和化學超聲效應[4-6]。超聲波在濕法冶金領域主要用于輔助強化浸出[7-11]。針對目前濕法處理廢鋰離子電池除銅尾渣過程中鈷、鎳浸出率低、浸出時間長等問題，試驗研究采用超聲波強化浸出，以提高鈷、鎳浸出率，縮短酸浸時間。

1 試驗部分

1.1 試驗原料與設備

廢電池除銅尾渣取自湖南邦普循環科技有限公司，粉末過40目標準篩,除去塊狀物料，在80 ℃下烘干4 h，主要化學元素分析結果見表1。

濃硫酸，鎳標準溶液，鈷標準溶液，均為分析純。

表1 除銅尾渣元素組成 %

試驗用儀器設備主要有：XMTD-7000型電熱恒溫水浴鍋(北京永光明儀器廠)，JB90-SH型數顯恒速強力電動攪拌機(上海標本模型廠)，SHZ-D(Ⅲ)型循環水式真空泵(鞏義市予華儀器有限責任公司)，WFX-130A型原子吸收分光光度計(北分瑞利儀器廠)，KQ-500DB型數控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)。

1.2 試驗原理與方法

加熱條件下,用硫酸從除銅尾渣中浸出鈷、鎳的化學反應式為

(1)

式中，Me代表鈷、鎳。常規條件下，鈷、鎳浸出率較低、浸出時間較長。超聲波具有空化作用，在溶液中可快速產生無數氣泡并內爆，在極小空間產生沖擊，使常溫與常壓下的液體介質中產生異常高溫，并將液固反應界面的液膜層或固膜層剝落下來，借此拓寬化學反應通道，加快化學反應速度，強化物質的傳遞過程。

采用對照試驗法，考察超聲波對浸出效果的影響。其中，一組為常規酸浸，另一組在常規酸浸中施加超聲波輔助攪拌。

試驗在1 000 mL燒杯中進行。首先加入一定量一定濃度的硫酸溶液，水浴加熱至指定溫度，按一定液固體積質量比加入原料，機械攪拌一定時間；對照試驗中，施加超聲波輔助攪拌。浸出之后，過濾，干燥，分析濾渣中鈷、鎳質量分數。鈷、鎳浸出率計算公式為

(2)

式中：η為鈷、鎳浸出率，%；m1為原料中鈷、鎳質量，g；m2為濾渣中鈷、鎳質量，g。

2 試驗結果與討論

2.1 單因素條件試驗

2.1.1 浸出溫度對鈷、鎳浸出的影響

在硫酸濃度2 mol/L、液固體積質量比10∶1、超聲功率300 W、攪拌速度500 r/min條件下浸出5 h，考察溫度對鈷、鎳浸出率的影響。試驗結果如圖1所示。

圖1 浸出溫度對鈷、鎳浸出率的影響

由圖1看出，隨溫度升高，鈷、鎳浸出率均提高。這是因為隨溫度升高，活化分子數增加，分子間的化學碰撞概率加大，反應速率加快，從而促進鈷、鎳浸出。常規浸出時：溫度低于80 ℃，鈷、鎳浸出率隨溫度升高而快速提高；溫度升至80 ℃時，鈷、鎳浸出率分別為85%和81%；之后繼續升溫，二者浸出率變化均不大。超聲波輔助浸出時：溫度低于60 ℃，鈷、鎳浸出率隨溫度升高而顯著提高；溫度高于60 ℃后，鈷、鎳浸出率變化幅度較小；80 ℃時，鈷、鎳浸出率分別為89%和86%。綜合考慮，確定適宜浸出溫度為80 ℃。

2.1.2 硫酸濃度對鈷、鎳浸出的影響

在浸出溫度80 ℃、液固體積質量比10∶1、超聲功率300 W、攪拌速度500 r/min條件下浸出5 h，考察硫酸濃度對鈷、鎳浸出率的影響，試驗結果如圖2所示。

圖2 硫酸濃度對鈷、鎳浸出率的影響

由圖2看出，隨硫酸濃度升高，鈷、鎳浸出率提高。這是因為硫酸濃度越高，其氧化性越強，破壞除銅尾渣結構的能力更強，有利于鈷、鎳浸出反應發生。硫酸濃度為2 mol/L時，鈷、鎳浸出率分別為85.73%和81.19%，施加超聲波后分別為89.64%和86.53%。綜合考慮，確定硫酸濃度以2 mol/L為宜。

2.1.3 液固體積質量比對鈷、鎳浸出的影響

在浸出溫度80 ℃、硫酸濃度2 mol/L、超聲功率300 W、攪拌速度500 r/min條件下浸出5 h，考察液固體積質量比對鈷、鎳浸出率的影響。試驗結果如圖3所示。

圖3 液固體積質量比對鈷、鎳浸出率的影響

由圖3看出：隨液固體積質量比增大，鈷、鎳浸出率提高；常規浸出時，隨液固體積質量比增大，鈷、鎳浸出率快速提高；液固體積質量比增至10∶1后，鈷、鎳浸出率提高幅度不大；超聲波輔助浸出時，液固體積質量比增至6∶1后，鈷、鎳浸出率提高幅度很小。綜合考慮，確定常規浸出時液固體積質量比為10∶1，超聲波輔助浸出時液固體積質量比為8∶1。

2.1.4 浸出時間對鈷、鎳浸出的影響

在浸出溫度80 ℃、硫酸濃度2 mol/L、液固體積質量比10∶1、超聲功率300 W、攪拌速度500 r/min條件下，考察浸出時間對鈷、鎳浸出率的影響。試驗結果如圖4所示。

圖4 浸出時間對鈷、鎳浸出率的影響

由圖4看出：隨浸出時間延長，鈷、鎳浸出率提高；常規浸出5 h后，鈷、鎳浸出率趨于穩定；超聲波輔助浸出2 h后，鈷、鎳浸出率趨于穩定。綜合考慮，超聲波輔助浸出時，浸出時間以2 h為宜。

2.1.5 攪拌速度對鈷、鎳浸出的影響

在浸出溫度80 ℃、硫酸濃度2 mol/L、液固體積質量比10∶1、超聲功率300 W條件下浸出5 h，考察攪拌速度對鈷、鎳浸出率的影響。試驗結果如圖5所示。

圖5 攪拌速度對鈷、鎳浸出率的影響

由圖5看出：常規浸出時，隨攪拌速度增大，鈷、鎳浸出率提高，攪拌速度大于500 r/min，鈷、鎳浸出率變化不大；而超聲波輔助浸出時，攪拌速度為100 r/min時，鈷、鎳浸出率分別穩定于90%和87%。綜合考慮，超聲波輔助浸出時，攪拌速度為100 r/min即可。

2.1.6 超聲功率對鈷、鎳浸出的影響

在浸出溫度80 ℃、硫酸濃度2 mol/L、液固體積質量比8∶1、攪拌速度100 r/min條件下浸出2 h，考察超聲功率對鈷、鎳浸出率的影響。試驗結果如圖6所示。可以看出，超聲功率在200～350 W范圍內，對鈷、鎳浸出率影響不大。

圖6 超聲功率對鈷、鎳浸出率的影響

2.2 最優條件下的鈷、鎳浸出

根據單因素試驗確定的超聲輔助浸出優化條件(浸出溫度80 ℃，硫酸濃度2 mol/L，液固體積質量比8∶1，浸出時間2 h，攪拌速度100 r/min，超聲功率300 W)，對廢鋰電池除銅尾渣進行超聲輔助酸浸綜合試驗，結果表明，鈷、鎳浸出率分別為90%和87%，浸出效果較好。

3 結論

以超聲波輔助硫酸從廢舊鋰電池除銅尾渣中浸出鈷、鎳，可以強化浸出效果，縮短浸出時間，提高鈷、鎳浸出率。適宜條件下，鈷、鎳浸出率可達90%和87%。此工藝操作簡單，條件可控，浸出效果較好，可用于從類似材料中浸出鈷鎳等有價金屬。